Factor de seguridad: definición, ecuación, ejemplos, calculadora (con PDF)

El factor de seguridad o factor de seguridad es un término muy importante en el diseño de ingeniería. Al diseñar cualquier producto o componente de ingeniería, la seguridad es de suma importancia. Para garantizar la seguridad de esos artículos, cada componente está diseñado para soportar más cargas que sus cargas operativas reales. Por lo tanto, siempre habrá algún margen o colchón en comparación con sus capacidades operativas. Esto se asegura durante la etapa de diseño al considerar un factor de seguridad adecuado. El factor de seguridad se define como la relación entre el esfuerzo último del material del componente y el esfuerzo de trabajo. Denota la fuerza adicional del componente que la fuerza requerida.

Importancia del factor de seguridad

Un factor de seguridad está relacionado con la seguridad de las personas. Reduce el riesgo de falla de un componente al agregar algo de amortiguación en el diseño. Además, siempre habrá algunas circunstancias ocultas o parámetros desconocidos que no pueden considerarse precisos en el diseño. Al mismo tiempo, la confiabilidad del material no es del 100 % y la carga utilizada en el cálculo del diseño no es la carga máxima. Entonces, el factor de seguridad o el factor de seguridad brinda protección contra esos eventos desconocidos hasta cierto punto.
Aunque todos los componentes están diseñados con un factor de seguridad, siempre se sugiere usar esos componentes dentro de su límite de diseño.

Factores que afectan la determinación del factor de seguridad

Los códigos y estándares de diseño de componentes normalmente proporcionan un factor mínimo de seguridad para ese componente. Sin embargo, elegir el factor de seguridad exacto depende de varios parámetros como

  • Tipo de material Dúctil vs Frágil
  • Tipo de carga Estático vs dinámico
  • Si las cargas cíclicas
  • La intensidad de la concentración de tensiones
  • Mal uso imprevisto del componente
  • Precisión y complejidad de la tensión durante un cálculo
  • Ambiente y temperatura y presión de diseño.
  • Impacto de la falla
  • Costo del componente o material
  • Tasa de corrosión
  • Frecuencia de mantenimiento

Ecuación del factor de seguridad

Como se define en el primer párrafo que el factor de seguridad es una relación de dos cargas o dos esfuerzos. Matemáticamente el factor de seguridad se puede expresar como

Factor de seguridad=Carga última (Resistencia)/Carga admisible (Esfuerzo)

Como se entiende a partir de la ecuación anterior, la tensión admisible siempre es menor que la tensión de rotura última. Por lo tanto, el factor de seguridad siempre es mayor que 1. La tensión máxima para el material quebradizo se considera como resistencia máxima a la tracción y para el material dúctil se considera como límite elástico.

Además, como la ecuación del factor de seguridad es la relación de dos valores de tensión o carga, no tiene dimensiones. La diferencia entre el Factor de Seguridad y 1 se conoce como Margen de seguridad. Asi que,

Margen de seguridad= (Factor de seguridad-1).

Ejemplos de factor de seguridad

Los ejemplos típicos del factor de seguridad para algunos materiales según la aplicación y los tipos de carga se enumeran a continuación en la tabla 1. Sin embargo, tenga en cuenta que la tabla solo proporciona un rango típico o valores típicos para proporcionar un ejemplo. Los valores reales para el factor de seguridad deben tomarse del estándar de diseño del componente relevante. Por ejemplo, el factor de seguridad para el diseño de recipientes a presión debe tomarse del código ASME Sec VIII.

No SeñorMiembroFactor típico de rango de seguridad
1Miembros estructurales en servicios de construcción2
2Recipiente a presión3.5 a 4
3Automóviles3
4Aeronaves y naves espaciales1.2 a 3.0
5Componentes de aeronaves1,5 a 2,5
6Calderas3.5 a 6
7pernos8.5
8Ruedas de hierro fundido20
9Componentes del motor6,0 a 8,0
10Ejes de servicio pesado10,0 a 12,0
11Equipos de izaje – ganchos ..8,0 a 9,0
12Recipientes a presión3.5 – 6
13Componentes de turbinas: estáticos6,0 a 8,0
14Componentes de turbinas: rotativos2.0 a 3.0
15Resorte, grande para trabajo pesado4.5
dieciséisTrabajos de acero estructural en edificios.4.0 a 6.0
17Trabajos de acero estructural en puentes5,0 a 7,0
18Cuerdas de alambre8,0 a 9,0
19Materiales altamente confiables donde la carga y las condiciones ambientales no son severas1.3 a 1.5
20Materiales moderadamente confiables donde la carga y las condiciones ambientales no son severas1.5 a 2
21Materiales ordinarios donde la carga y las condiciones ambientales no son severas2 a 2.5
22Para uso con materiales menos probados y quebradizos donde la carga y el medio ambiente2.5 a 3
23Para usar con materiales donde las propiedades no son confiables y donde las condiciones ambientales y de carga no son severas, o donde se usan materiales confiables bajo condiciones ambientales difíciles3.0 a 4.0
24Fuerzas de impacto3,0 a 6,0
25material quebradizo1,0 a 6,0

Tabla 1: Rango típico del factor de seguridad

calculadora del factor de seguridad

Varias calculadoras de factor de seguridad están disponibles en línea para calcular los valores del factor de seguridad con valores conocidos de resistencia última y tensión admisible. Tomemos un ejemplo para calcular el factor de seguridad para la siguiente situación:

El límite elástico de un material dúctil es de 240 MPa. Si el material está sujeto a una condición de carga que genera el esfuerzo máximo permisible de 140 MPa. Entonces el factor de seguridad de ese material es 240/140=1.7. Sin embargo, tenga en cuenta que ambos valores de tensión están en la unidad consistente antes de calcular el factor de seguridad.